（氣象學(xué)專業(yè)論文）北太平洋、北大西洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征.pdf

北太平洋、北大西洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 北太平洋、北大西洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 摘要 本文根據(jù)n c e p n c a r 、c o a d s 、驗潮站等觀測資料，耦合氣候模式輸出 資料，使用最大方差分析( m c a ) 、回歸、合成及相關(guān)等方法分析了北太平洋、 北大西洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征。探討北太平洋海面溫度( s s t ) 異常對大氣的影響；揭示了臺灣以東黑潮流量與西北太平洋海洋和大氣異常的關(guān) 系；探討了北大西洋s s t 異常、海表熱通量異常及5 0 0 h p a 位勢高度場異常三者 之間的相互作用關(guān)系，得到了以下有創(chuàng)新性的成果： 在北太平洋，除了冬季很強的熱帶太平洋e n s o 影響和大氣異常強迫海洋 之外，我們發(fā)現(xiàn)了冬季海洋作用于次年夏季大氣的“局地反饋模態(tài)”；即次年夏 季大氣對冬季海盆尺度的馬蹄形s s t 異常的響應(yīng)是緯向波列形的環(huán)流異常；提出 冬季北太平洋s s t 異?？赡茏鳛閷Υ文晗募敬髿猸h(huán)流異常預(yù)報的指標(biāo)之一。 發(fā)現(xiàn)了秋季臺灣以東黑潮流量與西北太平洋冬季海洋和大氣異常有較好的 對應(yīng)關(guān)系；當(dāng)秋季臺灣以東黑潮流量顯著增強時，冬季西北太平洋的大部分區(qū)域 向大氣異常放熱，而與此對應(yīng)在5 0 0 h p a 大氣從日本東南部到阿留申地區(qū)出現(xiàn)顯 著的低壓異常及內(nèi)蒙古、北美地區(qū)出現(xiàn)高壓異常，反之亦然。 對北大西洋來說，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)超前2 3 月的熱通量異常對早冬北大西洋濤動 的影響與前一年晚夏的馬蹄形s s t 異常有關(guān)；前一年晚夏馬蹄形s s t 異常主要是 早夏的海表熱通量異常作用的結(jié)果；當(dāng)這種s s t 異常形成后，它又通過向大氣釋 放熱通量來反作用于早冬大氣：從s s t 和熱通量兩者的角度看，馬蹄形的s s t 異常及隨后的熱通量異常對早冬大氣n a 0 的影響主要通過低邊界層的強迫而產(chǎn) 生的。 以上統(tǒng)計結(jié)果，為長期氣候預(yù)測提供參考，也為理解和揭示中緯度海洋一大 氣相互作用的過程與機制提供思路和觀測依據(jù)。 關(guān)鍵詞海氣相互作用臺灣以東黑潮局地反饋模態(tài) m c a 方法 北太平洋、北大西洋中緯度毒氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 s o m es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h em i d l a t i t u d e o c e a n - a t m o s p h e r ei n t e r a c t i o ni nt h en o a hp a c i f i ca n dt h e n o r t ha t l a n t i c a b s t r a c t b a s e do nt h eo b s e r v a t i o nd a t a ( n c e p n c a r ，c o a d s ) a n dt h eo u t p u td a t a f r o mf l e x i b l ec o u p l e do c e a n a t m o s p h e r eg e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ， s o m e s t a t i s t i c a lm e t h o d ss u c ha sm a x i m u mc o v a r i a n c ea n a l y s i s ，r e g r e s s i o n m e t h o d ，c o m p o s i t ea n a l y s i sa n dr e l a t i o na n a l y s i sh a v e b e e nu s e dt o i n v e s t i g a t e s o m e p r o p e r t i e s o ft h em i d 。l a t i t u d e o c e a n - a t m o s p h e r e i n t e r a c t i o ni nt h en o r t hp a c i f i ca n dn o r t ha t l a n t i ci nt h i sp a p e r t h e e f f e c to fl o c a ls e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) a n o m a i i e so nt h ea t m o s p h e r e i nt h en o r t hp a c i f i ci sd e t e c t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ek u r o s h i o t r a n s p o r te a s to ft a i w a na n dt h eo c e a n i ca n da t m o s p h e r i ca n o m a l i e si nt h e n o r t h w e s tp a c i f i ci nw i n t e ri sd i s c o v e r e d t h er e l a t i o na m o n gt h en o r t h a t l a n t i ca t m o s p h e r ec i r c u l a t i o na n o m a l y ，t h es s ta n o m a l ya n dt h eh e a tf l u x a n o m a l yi se x a m i n e d s o m en e ws t a t i s t i c a lf e a t u r e sh a v eb e e nf o u n da s f o l l o w s ： i nt h en o r t hp a c i f i c ，b e s i d e st h es t r o n gr e m o t ee n s oi m p a c ti nw i n t e r a n dt h ea t m o s p h e r ed o m i n a n t l yf o r c i n go nt h eo c e a n ，t h em c aa n a l y s i s s u g g e s t sas i g n i f i c a n tl o c a lf e e d b a c km o d e ：f o r c e db yh o r s e s h o es s t ai n t h ef o r m e rw i n t e r ，t h e a t m o s p h e r i cr e s p o n s e i ns u m m e rr e s e m b l e sa w a v e t r a i n p a t t e r no v e rt h em i d l a t i t u d en o r t hp a c i f i c t h i sl o c a l r e s p o n s em a yi m p l yt h ef o r m e rw i n t e rs s ta n o m a l yc o u l db eo n eo ft h e f o r e c a s ti n d e x e sf o rs u m m e ra t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n k u r i s h i ot r a n s p o r te a s to ft a i w a ni nt h el a t e rf a l lh a saq u i t eg o o d r e l a t i o n s h i pw i t ht h ew i n t e ro c e a n i ca n da t m o s p h e r i ca n o m a l yi nn o r t h w e s t h 北太平洋、北大西洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 p a c i f i c w h e nk u r o s h i ot r a n s p o r te a s to ft a i w a ni si n c r e a s i n g ( d e c r e a s i n g ) s i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h el a t e rf a l l ，m o s ta r e ao ft h en o r t h w e s tp a c i f i c r e l e a s e sm o r e ( 1 e s s ) h e a tt ot h ea t m o s p h e r e ，a c c o m p a n y i n gt h ew i n t e r r o b u s tl o w ( h i g h ) p r e s s u r ea n o m a l yf r o mt h es o u t h e a s to fj a p a nt ot h e a l e u t i a na n dh i g h ( 1 0 w ) p r e s s u r ea n o m a l yo v e rt h em o n g o l i aa n dt h en o r t h a m e r i c ai nt h e5 0 0 h p aa t m o s p h e r e i nt h en o r t ha t l a n t i c ，t h ef o r c i n go ft h eh e a tf l u xl e a d i n gt h en o r t h a t l a n t i co s c i l l a t i o n ( n a o ) b yt w oo rt h r e em o n t h si sa s s o c i a t e dw i t ht h e l a t e rs u m m e rh o r s e s h o es s tf o r c i n g t h eh o r s e s h o es s ti sg e n e r a t e d l a r g e l yb yt h es u r f a c eh e a tf l u x ，a n dt h e nf o r c e st h ee a r l yw i n t e r a t m o s p h e r et h r o u g ht h er e l e a s eo fo c e a n i ch e a tf l u xi n t ot h ea t m o s p h e r e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fb o t ht h es s ta n dh e a tf l u x ，t h eh o r s e s h o es s t a n dt h es u b s e q u e n th e a tf l u xf o r c i n go nw i n t e rn a or e p r e s e n tt h ed o m i n a n t l o w e rb o u n d a r yf o r c i n gt ot h en o r t ha t l a n t i ca t m o s p h e r e a b o v ec o n c l u s i o n sc o u l db ea sar e f e r e n c et ot h el o n gt e r mc ii m a t e f o r e c a s t i tc o u l dh e l pu st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fm i d l a t i t u d e o c e a n a t m o s p h e r ei n t e r a c ti o n k e y w o r d s ：o c e a n - a t m o s d h e r ei n t e r a c t i o n 。k u r o s h i ot r a n s p o r t ，l o c a lf e e d b a c k m o d e ，h a x i m u sc o v a r i a n c ea n a l y s i s i 獨創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。 據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果，也不包含未獲得l 洼! 地遺查基焦霞要掛型童明 的：奎攔丑窒2 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研 究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 蘭予譬竺! 鼉璺翌一 簽字h 期：伊年石月j 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有 關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)學(xué)?？梢詫W(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手 段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：濁娜 簽字同期：咿f 年f 月jf 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位：十國海洋犬髯 通訊地址： i i 蟄島魚山游翳 導(dǎo)師簽字： 簽字日期叼為年移月同 電話：艿3 2 一鋤3 2 2 7 郵編：z 6 6 0 0 $ 致謝 2 0 0 2 年4 月2 7 ，我第一踏上青島參加研究生復(fù)試。清晨微涼的風(fēng)吹著衣履 單薄的我，站在文苑樓外舉目四望這個陌生的地方，真的有點想家了“溫娜”， 一個洪亮的聲音從背后傳來，只見劉秦玉老師拿著件紅色的馬夾從遠(yuǎn)處趕來，“快 穿上吧。這個時候，青島有點冷”。接著，介紹我認(rèn)識劉征宇老師和賈英來 師姐等我的研究生生活就這樣開始了。 在劉秦玉老師的指導(dǎo)下，我逐步開展了一些科研工作平時，劉老師對我們 的學(xué)習(xí)工作要求很嚴(yán)格，每周都有小組討論，還有工作匯報。剛開始還有點不習(xí) 慣。隨著時間的流逝，慢慢的從劉老師身上看到了一個科研工作著對科學(xué)的執(zhí)著 追求，體會到劉老師對學(xué)生的良苦用心。在日常生活中，劉老師會問你的感冒 好了沒有要不要用這個藥試一下晚上別在辦公室待的太晚了。這些點點 滴滴讓身在異鄉(xiāng)的我感受到母親般的關(guān)懷。這里，我想真誠的說一句：劉老師， 謝謝您! 感謝胡瑞金老師、黃菲老師、林霄沛師兄在做論文過程中給予的熱情指 導(dǎo)。還要感謝在研究生期間一塊兒學(xué)習(xí)生活的潘愛軍師兄、王建波師兄，姜霞師 姐、楊建玲師姐、劉偉、劉衍韞、武術(shù)師弟、胡海波師弟，孫成學(xué)師弟、鄭小童 師弟、師妹李麗娟。特別感謝陪我度過這段美好時光的賈英來師姐和李杰老師 真誠的感謝威斯康星大學(xué)劉征宇老師對我科研工作的指導(dǎo)。在協(xié)助劉征宇老 師進行科研的時候，體會到什么是個真正的科研工作者。他對科學(xué)問題的敏銳 洞察力及科研實事求是精神令人感嘆不已也感謝吳立新老師給我學(xué)習(xí)上的指 點。至今耳邊還環(huán)繞著他的教誨：做研究。不怕泛，就伯深。還感謝在威斯康星 期間何峰夫婦，李鄭龍、畢荔、吳龍濤、劉映輝對我學(xué)習(xí)和生活的幫助和照顧 感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所俞永強研究員對本文部分工作細(xì)心指導(dǎo)。還 感謝在大氣所期間研究生鄭偉朋、李建和辛?xí)愿璧冉o我學(xué)習(xí)和生活上的幫助。 最后，感謝我的父母對我學(xué)業(yè)的支持和理解。 北太平洋，北大西洋中緯度海氣相互作用的郎分統(tǒng)計特征 第一章前言 海氣相互作用是氣候研究中的一個重要課題。人們對熱帶海氣相互作用的研 究及認(rèn)識已日趨全面和深刻，麗中緯度的海氣相互作用比較復(fù)雜，目前對它的認(rèn) 識還不足最近，由于年代際變化的強信號在中緯度出現(xiàn)，中緯度海氣相互作用 的研究再次引起了中外學(xué)者的普遍關(guān)注。另一方面，我們知道海洋有著巨大的熱 容量，中緯度海洋西邊界流的經(jīng)向熱輸送在全球的熱平衡中起著不可低估的作 用，它在中緯度海氣相互作用中扮演著十分重要的角色。本文主要根據(jù)觀測資料 證實和發(fā)現(xiàn)中緯度海氣相互作用中的部分統(tǒng)計特征，為研究中緯度海氣相互作用 的機制奠定基礎(chǔ)。 1 1 北太平洋海氣相互作用的研究進展 e n s o ( e ln i n oa n dt h es o u t h e r no s c i l l a t i o n ) 是發(fā)生在熱帶太平洋的海氣耦合 現(xiàn)象，但它對全球氣候的變化都有影響。在e n s o 事件發(fā)生時，通過大尺度的大 氣遙相關(guān)就可以改變赤道太平洋外的近地層大氣溫度、濕度、風(fēng)速及云量分布等。 這種海表熱量、動量及淡水通量的改變又會引起海表溫度( s s t ) 、鹽度、混合 層深度及洋流的變化。實際上，大氣相當(dāng)于一個橋梁把熱帶太平洋與全球其他區(qū) 域( 尤其是北太平洋) 建立起一個聯(lián)系。在北太平洋，該大氣橋所建立起來的大 氣模態(tài)呈p n a ( t h ep a c i f i c - n o r t h a m e r i c a n ) 型：在北太平洋中部呈現(xiàn)一個由南向 北的偶極予分布型。該模態(tài)與w a l k e r 和b l i s s ( 1 9 3 2 ) 及b j e r k n e s ( 1 9 6 9 ) 發(fā)現(xiàn)的北太平 洋濤動( n o r t h p a c i f i c o s c i l l a t i o n ) 模類似這種由大氣橋建立的熱帶和熱帶外的 動力關(guān)系可以用線性r o s s b y 射線理論來解釋( h o s k i n sa n dk a r o l y1 9 8 1 ) 。通過北 太平洋p n a 型大氣橋把熱帶太平洋與北太平洋s s t 聯(lián)系起來了，g r a h a m 等 ( 1 9 9 4 ) ，z h a a g 等( 1 9 9 7 ) 及g u 和p h i l a n d e r ( 1 9 9 7 ) 指出：在年際和更長的時間尺 度上，北太平洋s s t 第一模態(tài)的主要信號來自熱帶太平洋e n s o 。 自7 0 年代中期，很多學(xué)者采用不同的技術(shù)方法用觀測資料來建立熱帶太平洋 s s t 與其他海域溫度異常的聯(lián)系，其結(jié)果如表1 1 1 所示。它充分證明了e n s o 信 號對熱帶太平洋外的s s t 異常演變的影響，尤其是對北太平洋s s t 的影響。一般， 北太平洋、北大兩洋中緯度惠氣相互f r f i 的部分統(tǒng)計特征 e n s o 的成熟期出現(xiàn)在年底( r a s m u s s o n 和c a r p e n t e r ，1 9 8 2 ) ，而受e n s o 影響的 熱帶太平洋外的s s t 異常在其2 至6 個月后達到峰值。這種l 至2 個季節(jié)的滯后是由 于大氣對熱帶太平洋s s t 異常的響應(yīng)大概需要兩周左右的時間，然后通過大氣再 作用于熱帶外的海洋；而海洋對大氣的響應(yīng)是一個逐漸積累的過程，使其達到最 大響應(yīng)，大概也需要幾個月的時間。直至j j 9 0 年代，這些熱帶太平洋s s t 異常與其 他海域的海溫異常的關(guān)系已基本上建立起來了，至于遙相關(guān)的s s t 異常是如何產(chǎn) 生的及生成的s s t 異常又是如何反饋到大氣環(huán)流的還不太清楚。近年來，人們逐 漸利用模式結(jié)合觀測分析，來更具體清楚的認(rèn)識, e n s o 對熱帶外s s t 的影響。l i u 等( 2 0 0 4 ) 運用傳統(tǒng)的統(tǒng)計相關(guān)方法和摸式下的動力分析方法，定量的給出在年際 和年代際的時間尺度上，熱帶太平洋e n s o 熱帶大西洋s s t 變化的影響。而 a l e x a n d e r 等( 2 0 0 2 ) 在資料和耦合模式分析的基礎(chǔ)上，給我們勾勒出一幅更清晰的 圖像：在夏季的時候，西北太平洋s s t 異常與e n s o 的相關(guān)是非常顯著的；海表 熱通量是大氣橋強迫s s t 異常的主要成分，e k m a n 輸送在中太平洋的s s t 異常產(chǎn) 生中起著重要的作用：大氣橋不僅在年際尺度上影唯j s s t ，而且還影響混合層的 深度、鹽度及上層海洋溫度的季節(jié)演變；模式結(jié)果還顯示，北太平洋s s t 的低頻 ( 大于l o 年) 變化一部分上與熱帶強迫有關(guān)。 總的來說，熱帶太平洋e n s o 信號對熱帶外大氣及海洋的影響不容忽視，尤 其是北太平洋的。 熱帶外的s s t 能否影響大氣及如何理解這些相關(guān)機制成為近幾十年氣候研 究中一個非常有挑戰(zhàn)和爭議的科學(xué)問題。至于大氣是如何影響海洋的，無論觀測 還是模式分析都毫無疑問證明了：s s t 異常主要是大氣強迫的結(jié)果( p a l m e ra n d s u n1 9 8 5 ；w a l l a c ea n dj i a n g1 9 8 7 ；d e s e ra n dt i m l i n1 9 9 7 ) 。相對于熱帶大氣對s s t 的穩(wěn)定線性響應(yīng)，中緯度大氣對s s t 的響應(yīng)要復(fù)雜的多。再者，中緯度大氣內(nèi)變 化很強，相對于大氣對s s t 的作用強度，熱帶外大氣對s s t 的響應(yīng)會小的多。所 以，想從觀測資料上來診斷中緯度海洋對大氣的作用不是一件容易的事情。在這 種情況下，模式成為一個非常有用的工具。 許多學(xué)者利用大氣環(huán)流模式來研究中緯度大氣是如何對給定s s t 異常 ( p a l m e ra n ds u n , 1 9 8 5 ；p i t c h e re ta 1 1 9 8 8 ；k u s h i ra n dl a u 1 9 9 2 ；f e r r a n t ie t 2 北太平洋、北大西洋中緯鹱i 母氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 a 1 ，1 9 9 4 ：p a n ge ta 1 ，1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 產(chǎn)生響應(yīng)的。這種方法被稱為a m i p 方法，它所 得結(jié)果差異很大，不同模式可能生成不同結(jié)果o c u s l m i r e t a l ，2 0 0 2 ) 。有的在暖s s t 異常下游生成相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)響應(yīng)：有些是線性斜壓響應(yīng)，暖的s s t 異常下游伴隨 著表層低壓；一些產(chǎn)生非常強的非線性響應(yīng)；另外，有些試驗不同季節(jié)響應(yīng)也不 同，還有的甚至對s s t 正負(fù)異常產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這些研究結(jié)果顯示：在線性理 論框架下，大氣對中緯度的s s t 異常響應(yīng)沒有可預(yù)報性( h o s k i n sa n d k a r o l y , 1 9 8 1 ) 最近的一些a g c m ( a t m o s p h e r i cg e n e r a lc i r c u l a t i o n ) 試驗表明模式結(jié)果還依賴 于邊界層的強迫條件。針對這個問題，l i u 等( 2 0 0 4 ) 作了一些具體分析，他指出大 氣響應(yīng)嚴(yán)重依賴于海氣耦合：在全耦合試驗中生成的強的暖一高脊響應(yīng)與統(tǒng)計結(jié) 果相一致：固定的s s t 異常強迫試驗和熱動力耦合試驗也產(chǎn)生暖一高脊的響應(yīng)， 但強度大大減小。這種弱的暖一高脊響應(yīng)與過度向大氣釋放熱量有關(guān)，因為大氣 對海表熱通量正異常的響應(yīng)是暖一低壓響應(yīng)，它削弱了耦合模式的暖一高脊響 應(yīng)。另外，p e n g 等( 1 9 9 7 ) a g c m 試驗結(jié)果顯示，對同一暖s s t 異常，一月大氣會 產(chǎn)生斜壓響應(yīng)，而在二月的背景場下，大氣卻產(chǎn)生一個相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。針對這個 問題，p e n g 等( 1 9 9 9 ) 對大氣是如何響應(yīng)中緯度s s t 異常的物理機制進行了探討： 線性斜壓模式試驗揭示了g c m 達到平衡態(tài)的響應(yīng)主要是異常氣旋作用的結(jié)果； 初始熱源可以引起異常流來，但這異常流對背景流場來說一點不敏感；氣旋可與 熱異常引起的異常流相互作用。 在觀測上，許多學(xué)者( n a m i a se ta 1 ，1 9 8 8 ：w a l l a c ee ta 1 ，1 9 9 0 ，1 9 9 2 ：z h a n ge t a 1 ，1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 對北太平洋s s t 和5 0 0 h p a 位勢高度場相互作用進行了研究。z h a a g 等( 1 9 9 6 ) 通過線性回歸方法扣除資料中的e n s o 信號，把北太平洋自身的海氣 相互作用模從e n s o 引起的中緯度海氣耦合模中分離出來。a n 和w a n g ( 2 0 0 5 ) 用 c m c a ( c o n d i d o nm a 】【j m u n lc o v a r i a n c ea n a l y s i s ) 進一步調(diào)查了熱帶和北太平洋 s s t 異常與5 0 0 h p a 位勢高度異常場的關(guān)系，分離出兩個基本模態(tài)：一個是中緯度 海氣相互作用的本征模一一北太平洋模n p ( t h e n o r t h p a c i f i c m o d e ) ，其中s s t 異常 主要集中在熱帶外北太平洋；另一個是熱帶海氣相互作用耦合模一- - e n s o 模 態(tài)，其中熱帶區(qū)域出現(xiàn)的是與e n s o 類似的s s t 異常分布型，而在熱帶外s s t 異常 較弱。 北太平洋、北大西洋中緯度癬氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 那么，能否從觀測上找到中緯度的s s t 異常影響大氣的證據(jù)呢? 人們多用超 前和滯后方法對其進行探討研究。f r a n k i g n o u l 和h a s s e l m a n n ( 1 9 7 7 ) 指出：當(dāng)s s t 與大氣作超前和滯后相關(guān)分析時，大氣超前于s s t 意味著大氣對海洋的強迫作 用，而海洋超前于大氣反映了海洋對s s t 的影響。先前的很多研究( n a m i a s1 9 6 4 ： r a t e l i f f e 和m u r r a y1 9 7 0 ：d e s e r 和t i m l i n , 1 9 9 7 ) 比較關(guān)注超前一個月的s s t 對 大氣的影響。實際上，這不見得是一種有效的方法，因為大氣自身有一定的時間 持續(xù)性，在這個時間尺度上( - - 個月的超前) 兩者相關(guān)可能部分地反映了大氣對 海洋的作用。那么，當(dāng)s s t 超前于大氣一個月以上時，在這個時間尺度上進行分 析不就反映t s s t 異常對大氣的影響。c z a y a ；和f r a n k i g n o u l ( 2 0 0 2 ) 利用最大方差分 析o r c a ) 超前和滯后關(guān)系對北大西洋進行了初步探討，發(fā)現(xiàn)晚夏北大西洋馬蹄形 s s t 異?？赡軐υ缍髿獾膎 a o 分布型產(chǎn)生影響。 對北太平洋來說，在觀測分析上，中緯度s s t 異常能否獨立的作用于大氣， 這是我們有待于繼續(xù)研究解決的問題。 1 2 黑潮熱輸送對大氣環(huán)流影響的研究進展 海洋經(jīng)向熱輸送對全球能量平衡以及氣候變化有重要作用，且主要集中在幾 支強而窄的西邊界流中。黑潮是北太平洋的西邊界流，它在太平洋的經(jīng)向熱輸送 中起著極其重要的作用。海洋對大氣的影響主要是通過海一氣之間的熱量交換實 現(xiàn)的。在北太平洋中部熱含量的改變中，海洋平流的貢獻是3 0 ，其中黑潮( 西 邊界流) 占這種平流貢獻的5 0 * , ( v i v i e re ta l ，1 9 9 9 ) 。臺灣以東黑潮流量的 低頻變化直接影響黑潮流域的海一氣熱交換，從而影響天氣和氣候。黑潮附近s s t 已成我國氣候統(tǒng)計預(yù)測中的重要指標(biāo)，但是由臺灣以東黑潮流量變異對氣候異常 影響的動力過程研究較少。趙永平等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 通過分析資料指出黑潮海域 海洋異常加熱對后期下游大氣環(huán)流的影響是通過改變低緯度與高緯度大氣之間 溫度差和位勢高度來實現(xiàn)的，黑潮海域異常加熱與大氣環(huán)流相互作用在冬季是一 個正反饋過程。l i u 等( 1 9 9 3 ) 利用海一氣耦合模式研究冬季黑潮大彎曲與大氣 環(huán)流相互作用的正反饋過程，李崇銀等( 1 9 9 2 ) 也對冬季黑潮增暖影響我國東部 汛期降水這一問題進行了數(shù)值試驗。 w y r t k i ( 1 9 6 5 ) 指出：“位于西北太平洋的黑潮流域是太平洋海域內(nèi)最大的 4 北太平洋、北大兩洋中緯度海氣相互作用的舒分統(tǒng)計特征 海洋失熱區(qū)，冬季是黑潮向大氣釋放熱量最多的季節(jié)，也是黑潮海域海氣相互作 用最強烈的時期?！眲⒀茼y等( 2 0 0 4 ) ”對北太平洋海面熱通量的研究也證實了 日本以南黑潮海區(qū)是太平洋海域內(nèi)最大的海洋失熱區(qū)翁學(xué)傳等在1 9 9 6 年指出黑 潮經(jīng)向熱輸送變化與其流量大小關(guān)系非常密切，黑潮斷面熱輸送主要取決于兩個 因子：臺灣以東黑潮流量和溫度，對p n 斷面黑潮熱輸送變化貢獻來說，來自低緯 度海域的黑潮體積輸送強弱占第一位，而水體溫度的高低占第二位。既然臺灣以 東黑潮流量與經(jīng)向熱輸送關(guān)系如此密切，而黑潮的經(jīng)向熱輸送又在海氣作用中占 重要地位，那么臺灣以東黑潮流量變異時，它與黑潮流經(jīng)區(qū)域的海洋和大氣異常 有無聯(lián)系? 冬季是海一氣相互作用最強烈的時期，本文著重研究臺灣以東黑潮流 量的變異與其流經(jīng)區(qū)域冬季海洋和大氣異常間的關(guān)系。 1 3 北大西洋海氣相互作用的研究進展 在氣候研究中，北大西洋也遇到了與北太平洋類似的問題。我們知道北大西 洋上空大氣變化主要受北大西洋濤動n a o ( n o r t ha t l a n t i co s c i l l a t i o n ) 控制。尤 其是冬天，當(dāng)n a 0 最強時，它控制著北半球表層大氣溫度及降水( h u r r e u1 9 9 5 ) ， 通過感熱和潛熱通量的釋放來影響海洋( c a y a n , 1 9 9 2 ) 。如此強的大氣內(nèi)變化，北 大西洋s s t 異常對大氣能不能產(chǎn)生影響? 針對這個問題，人們通過多種方法來進 行研究。 許多a g c m 模式研究表明：北大西洋的s s t 異常確實對冬天大氣的n a o 分布 型產(chǎn)生顯著影響。在一些模式中用過去幾十年的觀測s s t 異常作強迫會產(chǎn)生低頻 的n a o 變化( r o d w e l le ta 1 ，1 9 9 9 ；m e h t ae ta l j 0 0 0 ；l a t i f e ta 1 2 0 0 0 ；) 。還有些學(xué) 者指出：北大西洋三極形的s s t 異常與大氣的n a o 之間的正反饋相互作用可以作 為海洋影響大氣的例證。然而，l a t i f 等( 2 0 0 0 ) 和h o e r l i n g 等( 2 0 0 1 ) 燃種 s s t 異常對大氣的影響可能來自熱帶，而不是北大西洋區(qū)域。這些爭議說明：大 氣對海洋的響應(yīng)有模式依賴性，不同的模式響應(yīng)不同。所以，有待于用觀測資料 來進行研究。 c z a y a 和f r a n k i g n o u l ( 2 0 0 2 ) ( 簡稱c f ) 用m c a 方法對n c e p f n c a r 資料( 北 北太平洋、北大西洋中緯度海氣豐日互仃用的舟b 分統(tǒng)計特征 大西洋5 0 0 b p a 位勢高度場及s s t ) 進行分析，發(fā)現(xiàn)晚夏北大西洋馬蹄形的s s t 異 ?？梢猿掷m(xù)影響早冬北大西洋濤動( n a o ) 。他們首次用統(tǒng)計方法證明了晚夏 s s t 異常對早冬大氣n a o 的預(yù)報可能性。在c f 的研究基礎(chǔ)上，c a s s o u 等( 2 0 0 4 ) 及 p e n g 等( 2 0 0 5 ) 分別對晚夏這種馬蹄形的s s t 異常是如何影響早冬大氣n a o 的物理 機制進行了探討。c a s s o u ( 2 0 0 4 ) 指出：在大西洋熱帶與副熱帶之間的對流輻合 區(qū)異常能激發(fā)向北大西洋傳播的r o s s b y 波，這種大氣擾動再通過擾動熱通量及輻 射通量作用于北大西洋產(chǎn)生馬蹄形的s s t 異常；由馬蹄形的s s t 異常的持續(xù)強迫 試驗，得到大氣弱的n a o 響應(yīng)模態(tài)，原因可能是馬蹄形的s s t 的經(jīng)向溫度梯度引 起大氣高層急流變化，再與l o g 爆發(fā)的氣旋相互作用，最終導(dǎo)致了大氣n a o 異 常。而p e n g 用北大西洋的馬蹄形s s t 異常( n a h ) 與熱帶s s t 異常分別作強迫試 驗，其結(jié)論如下：n a h 異常并不是一個有效的強迫源，所以不能解釋n a i l 異常 是如何導(dǎo)致大氣n a o 異常；在a g c m 的耦合模式里，熱帶異常強迫依賴_ m l s s t 于季節(jié)背景場一一在晚冬它可以強迫出大氣強的n a o 異常，并伴隨著北大西洋 的n a h 異常。說明了冬季大氣n a o 異常的產(chǎn)生最終可能是熱帶s s t 異常作用的結(jié) 果。 另外，在北大話洋海氣相互作用的研究中，值得一提的是近年來一些學(xué)者對 海表熱通量的研究。隨著模式的發(fā)展、認(rèn)識的提高，人們發(fā)現(xiàn)正確的估算s s t 與 海面熱通量的反饋作用，能夠很好提高g c m ( t h eg e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ) 的 耦合模擬效果。海表熱通量與s s t 異常是怎樣相互作用的呢? 一般說來，海表熱 通量對大尺度的s s t 異常有著雙重作用：熱通量產(chǎn)生s s t 異常；反過來，生成的 s s t 異常又會影響熱通量異常f r a n k i g n o u l 等( 2 0 0 2 ) 對觀測資料進行了調(diào)查 研究，指出在北大西洋海表熱通量與s s t 異常反饋過程中，擾動熱通量的反饋占 統(tǒng)治地位，它們的相互作用主要呈負(fù)反饋特征。p a r k 等( 2 0 0 5 ) 研究也表明北大 西洋熱通量與s s t 異常的最大反饋出現(xiàn)在冬季?？偟膩碚f，海面熱通量在海氣相 互作用中似乎扮演著中介的作用。 北大西洋晚夏s s t 異常對早冬大氣n a o 影響機制的研究有了初步的進展，但 其中的物理過程有待于進一步探討。另外，我們看到，海表熱透量、s s t 和大氣 三者間存在相互制約相互促進的關(guān)系。本文將從這個角度出發(fā)，來探討一下：北 大西洋晚夏s s t 異常對早冬大氣n a o 影響過程中，它們?nèi)咧g是怎樣相互作用 北太平洋北大西洋中緯度海氣柑互作用的部分統(tǒng)計特征 的。 1 4 本文擬解決的科學(xué)問題及研究內(nèi)容 中緯度海氣相互作用是一個比較復(fù)雜的問題。再者，中緯度大氣內(nèi)變化非常 強，尋找中緯度s s t 對大氣的影響顯得比較困難。所以，大多學(xué)者求助于大氣 環(huán)流模式或者海氣耦合模式。無論對北太平洋還是對北大西洋來說，所得結(jié)果對 模式的依賴性很大( 例如同樣的試驗，不同的模式可能會得到不同的結(jié)果) 。因 此如何采用特殊的、能表現(xiàn)海洋大氣相互作用過程的統(tǒng)計學(xué)方法，從復(fù)雜的中 緯度海氣相互作用的觀測事實中分離各個不同的過程是目前需要解決的問題。 對北太平洋來說，受熱帶太平洋e n s o 信號影響是它的顯著特點。所以， 怎么從觀測資料入手來尋找北太平洋中緯度s s t 異常獨立影響大氣信號成為亟 待解決的問題。 另外，黑潮熱輸送在西北太平洋熱平衡中起著重要的作用，而黑潮流量的 大小又決定了熱輸送的大小。所以，黑潮流量變異時，它與黑潮流經(jīng)區(qū)域海洋 和大氣異常的關(guān)系引起了我們的興趣。 海面熱通量( 湍流熱通量：感熱與潛熱) 在海氣相互作用中似乎扮演著中介 的作用那么，在北大西洋晚夏馬蹄形s s t 異常持續(xù)影響早冬大氣n a o 的過 程中，海面熱通量、s s t 和大氣環(huán)流之間是怎樣相互作用的也是一個非常重要 的問題 基于上述存在問題的討論，本文將進行如下研究： 第二章介紹了研究所采用的資料及資料的處理方法。特別介紹了扣除e n s o 及m c a 方法， 并介紹了從統(tǒng)計學(xué)的觀點確定海洋可能影響大氣的理論依據(jù) 第三章利用m c a 方法對觀測資料進行分析，探討北太平洋s s t 異常對大氣 的影響。 。 第四章著重利用觀測和模式資料來研究臺灣東部黑潮流量變異與冬季西北 太平洋海氣相互作用間的關(guān)系。 7 北太平洋- 北大西洋中緯度海氣相互作用的魯b 分統(tǒng)計特征 第五章在前人研究的基礎(chǔ)上，探討海面熱通量異常在北大西洋晚夏s s t 異 常影響早冬大氣環(huán)流異常中扮演的角色。 第六章是結(jié)論和對相關(guān)科學(xué)問題的討論。 北太平洋北大兩洋中緯度海氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 s 崎r “酬蛐岫瓦 表1 1 1 觀測研究熱帶太平洋s s t 異常與全球其他區(qū)域的海溫異常的關(guān)系，按區(qū)域進行分 類表中還列出了分析方法、資料時聞、受e n s o 影響最大時的時間及滯后月份( 該圖引自 a l e x a n d e re ta l ，2 0 0 2 ) 9 北太平洋，北大西洋中緯度癬氣相互作f j 的部分統(tǒng)計特征 2 1 資料 第二章資料與方法 2 1 1 驗潮站海平面高度觀測資料 文中的黑潮流量由賈英來等( 2 0 0 4 ) 采用基隆港和石垣島兩個驗潮站的逐日 海平面高度觀測資料計算所得。資料來源為世界海洋環(huán)流實驗( w o c ed a t a p r o d u c t sc o m m i t t e e 2 0 0 2 w o c eg l o b a ld a t a v e r s i o n3 0 ，w o c ei n t e r n a t i o n a l p r o j e c to f f i c e ，w o c er e p o r tn o 1 8 0 0 2 ，s o u t h a m p t o n , u k ) 提供的夏威夷大學(xué)海 平面高度中心( u n i v e r s i t yo f h a w a i is e al e v e lc e n t e r ) 驗潮站海表高度數(shù)據(jù)( f a s t d e l i v e r yi ns i t us e al e v e ld a t a ) ?；「畚挥? 2 5 00 9 o n ，1 2 1 04 5 0 e ) ，資料長度 從1 9 8 0 年到1 9 9 9 年：石垣島位于( 2 4 02 0 o n ，1 2 4 00 9 o e ) ，資料長度從1 9 6 9 年到2 0 0 0 年。由于1 9 9 8 年以后的數(shù)據(jù)中有較多缺測值，所用的海平面高度差資 料的長度為1 9 8 0 年到1 9 9 8 年。而本文所用黑潮流量長度為1 9 8 0 年到1 9 9 3 年 2 1 2 u w m c 0 a d s 再分析資料 該資料源于c o a d s ( c o m p r e h e n s i v eo c e a n a t m o s p h e r ed a t as e t ) 觀測資料， a r l i n d om d as i l v a 等人利用樣條插值和多種減小誤差方法獲得再分析月平均資 料。它包含的變量主要是海面熟通量、動量及淡水通量等物理量。其覆蓋范圍是 全球，水平網(wǎng)格分辨率為1 0 1 。，時間跨度從1 9 4 5 年1 月到1 9 9 3 年1 2 月。本文 用到的物理量有：s s t 、海面風(fēng)場和海面熱通量( 感熱通量、潛熱通量及凈熱通 量) 2 1 3 n c e p n c a r 再分析資料 該資料是美國國家環(huán)境預(yù)報中心( n a t i o n a lc e n t e ro fe n v i r o n m e n t p r e d i c t i o n ) 和美國國家大氣科學(xué)研究中心( n a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i c r e s e a r c h ) 白1 9 9 1 年開始聯(lián)合進行的大氣資料再分析研究項目。n c e p n c a r 再 分析系統(tǒng)采用了先進的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和完善的數(shù)據(jù)庫，對各種資料來源的數(shù)據(jù)以 北太平洋、北大兩洋中緯度惠氣相互作用的部分統(tǒng)計特征 統(tǒng)一的系統(tǒng)進行質(zhì)量控制和同化。本文用到的1 9 5 8 1 9 9 7 年的月平均資料，其 大氣變量的水平分辨率為2 5 0 x 2 5 0 ，而海表變量水平分布率t 6 2 高斯分布，緯 向上1 8 7 5 。等距分布，經(jīng)向上不等距分布。這里，我們用到的物理量有：5 0 0 h p a 位勢高度場，表層溫度，海表風(fēng)場及海表熱通量( 感熱通量、潛熱通量、凈長波 輻射通量和凈短波輻射通量) 。 2 1 4 f g c 姒0 耦合模式資料 中國科學(xué)院大氣物理研究所的f g & i ( f l e x i b l ec o u p l e do c e a n - a t m o s p h e r e g e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ) 耦合模式可以合理模擬長期平均氣候，而且可以 重現(xiàn)許多年際氣候變化特征( y u ，2 0 0 2 ) 。它所用的海洋模式l 3 0 t 6 3 水平分辨率 為0 5 。x o 5 0 ，垂直分層3 0 而1 2 層分布在上層1 0 0 0 m 的海洋，為它能合理模擬大 洋西邊界流提供了前提條件。 本文用到的資料是f g c m 耦合模式月平均資料，時間長度：2 4 2 2 9 8 模式 年，5 0 0 h p a 位勢高度場和凈熱通量場緯向格距為2 8 1 2 5 0 。經(jīng)向為非等距網(wǎng)格一一 平均間距2 7 0 ；s s t 和海洋流場的水平分辨率為0 5 0 x 0 5 0 。 2 2 資料處理方法 2 2 1 線性回歸方法及e n s o 信號的扣除 在統(tǒng)計分析中，回歸分析應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常用它來分析某一變量( 稱為 預(yù)報量) 與一個或者多個自變量( 稱為預(yù)報因子) 之間的統(tǒng)計關(guān)系，并建立預(yù)報 量與預(yù)報因子之間的回歸方程，然后根據(jù)這個方程做出對預(yù)報量的預(yù)測。我們知 道一元線性回歸和形如高階多項式的非線性回歸可以看成是多元線性回歸的特 殊例子所以，這里我們僅對多元線性回歸的基本原理作下介紹。 當(dāng)影響因變量y 的自變量不止一個時，比如有m 個x i ，x 。，這時y 和 x 之間的線性回歸方程為 y = a + p l x i4 - - - + p m x 。+ ( 2 i ) 北太平洋、北大西洋中緯度海氣相互作f 目的韓分統(tǒng)計特征 其中口，屬，以為回歸系數(shù)，占為隨機誤差，常假定占n ( o ，盯2 ) 設(shè) ( e ，e ，x 。) ，f = 1 ，刀) 為觀測值，回歸分析的首要任務(wù)是利